dE = Σ_iψ_i dΘ_i – Σ_iХ_i·dZ_i , (1)

h _i = W_ц/E _{i £} 1 . (2)

dE = Х_i·dZ_i – Х_j·dZ_j = 0. ( 3 )

В частном случае электрического и магнитного полей параметры Х_i относятся к источнику энергии и имеют смысл напряженностей Е и Н этих полей, а параметры Z_i в пересчете на единицу объема рабочего тела – соответственно векторов электрической и магнитной индукции D и B. В таком случае параметры Х_j и Z_j относятся к рабочему телу, и член đW_j = Х_j·dZ_j > 0 характеризуют элементарную работу, совершаемую рабочим телом над нагрузкой (объектом работы).

Если энергоемкость окружающей среды как источника поля неограниченна, изменения параметров поля Х_i и Z_i практически неконтролируемы. Это, однако, не означает, что расход первичной (преобразуемой) энергии отсутствует и не поддается учету. О наличии энергообмена между рабочим телом (например, постоянным магнитом) и окружающей средой свидетельствует, например, понижение его температуры, достигающие в случае генератора Флойда 20^о С. Но даже если пренебречь внешним теплообменом, ограничиваясь случаем нетепловых машин, с учетом неизбежных потерь энергии из-за несовершества процессов, количество потребленной первичной энергии dE₁ = Х_i·dZ_i согласно (2) не может быть ниже совершенной этим преобразователем работы đW_j = Х_j·dZ_j. Это означает, что КПД нетепловых машин, определяемый как отношение совершаемой преобразователем работы W_j к подведенной от любых источников первичной энергии E₁ не может быть выше единицы.

Для этого запишем уравнение (3) для рабочего тела, совершающего циклический процесс изменения своего состояния. В этом случае работа, совершаемая за цикл, определяется круговым интегралом:

Рис.1. Цикл магнитного двигателя.

Разделим, как и прежде, круговой процесс на два участка, 1–2 и 2–1, в пределах которых изменение абсолютной величины намагниченности Z_м имеет один и тот же знак (dZ_м > 0 или dZ_м < 0). Тогда, обозначая модуль магнитной индукции В на "прямом” и "обратном” участке цикла соответственно одним и двумя штрихами и учитывая, что dZ_м" = – dZ_м', вместо (1) можем написать:

Отсюда следует, что если средняя магнитная индукция материала будет одинаковой как в процессе восстановления намагниченности материала (В''), так и при совершении им работы (В'), то работа циклического процесса будет равна нулю. Сказанное иллюстрируется рис.1, на котором изображен произвольный цикл магнитного двигателя, напоминающий непредельную петлю гистерезиса. Работа этого цикла определяется его площадью. Следовательно, необходимо каким–либо образом изменять характер "прямого” 1–2 и "обратного” 2–1 процесса с тем, чтобы площадь цикла стала отличной от нуля. Это может быть осуществлено, например, за счет временного экранирования магнитного поля в зазоре между ротором и статором, изменением магнитной индукции в роторе или статоре путем временного изменения их температуры (что особенно эффективно вблизи точки Кюри), изменением взаимного положения магнитов в процессе их сближения и удаления, временным размагничиванием одного из магнитов электрическим импульсом в момент их противостояния и т.п. В дальнейшем мы увидим, что именно к этим средствам прибегают изобретатели тех устройств на постоянных магнитах, реальность которых не вызывает сомнений.

Одним из первых таких устройств был "генератор Грамма” (З.Т. Грамм, 1869 г.). В нем в полюсах неподвижного постоянного магнита размещался вращающийся кольцевой ротор с тороидальной обмоткой, которая касалась двух диаметрально расположенных контактных щеток. "Ассиметрия” процессов намагничивания и размагничивания кольцевого ротора достигалась смещением момента подачи напряжения на тороидальную обмотку.

Рис.2. Генератор Фролова.

Значительно позднее (в 1996 году) российский инженер А. Фролов усовершенствовал генератор Грамма. В его конструкции неподвижным было кольцо с обмотками, а в качестве источника переменного магнитного поля использовалась еще одна обмотка в центре (рис. 2). При этом два магнитных потока от двух катушек нагрузки взаимно компенсируются, и, таким образом, в первичной цепи реакция отсутствует. Эта конструктивная идея стала популярной (О.　Беренс (Швеция), Д.　Хофманн (США), В. Герману (ФРГ), С.　Хартман (США) и др. В 1999 В. Герману и его группе из Германии при испытаниях этого типа генератора удалось получить более 1200 ватт в нагрузке. В 2003　г. С.　Хартман (S. Hartman, USA) сконструировал тороидальный генератор на базе стандартного 10–ти киловатного генератора, питающийся от автомобильной батареи. Ток на входе генератора составил 0,8 А при напряжении 12,92 В; на выходе – 40 А при напряжении 6,5 В. Таким образом, он получил 25–кратную мощность.

Рис.3 Конвертор Рощина - Година.

В России эффект Сёрла исследовался в Институте высоких температур РАН. Сотрудники этого института В. Рощин и С.　Годин в 1992 г. построили подобный серловскому генератор, который они назвали "магнитодинамическим конвертором” [3]. Он представлял собой статор с секторными постоянными магнитами 1 и кольцевой ротор с вращающимися магнитными роликами 2 (рис. 3). Диаметр ротора – 1 м., его масса – 500 кг. Сегменты ротора выполнены на основе редкоземельных магнитов с остаточной индукцией 0,85　Тл. Они намагничивались путём разряда батареи. конденсаторов через индуктор. В отличие от диска Сёрла в установке В. Рощина и С. Година высокочастотное подмагничивание не применялось. "Зацепление” роликов с кольцевым магнитом ротора осуществлялось по принципу шестерен размещением в статоре и роликах поперечных магнитных вставок из NdFeB с остаточной индукцией 1,2　Тл. Между поверхностью статора и роликами был оставлен воздушный зазор 1　мм. Элементы магнитной системы были собраны в единую конструкцию на платформе из немагнитных сплавов. Эта платформа была снабжена пружинами, амортизаторами и имела возможность вертикального перемещения по трём направляющим, что измерялось индукционным датчиком 14. Статор 1 был укреплён неподвижно, а ролики 2 были укреплены на общем подвижном сепараторе 3 с помощью динамических воздушных подшипников. Сепаратор был жёстко связан с валом 4 и посредством фрикционных обгонных муфт 5 с пусковым двигателем 6 и с электродинамическим генератором 7. Вдоль ротора были расположены электромагнитные преобразователи 8 с разомкнутыми магнитопроводами 9. Нагрузка 10 была выполнена в виде ламп накаливания. Установка запускалась в действие путём раскрутки ротора с помощью электродвигателя. При скорости ~ 550　об/мин обороты ротора самопроизвольно начинали возрастать, несмотря на отключение электродвигателя и присоединение к валу в качестве нагрузки обыкновенных ТЭНов. Максимальная отводимая мощность в установке составила 7　кВт.

Помимо генерирования "избыточной мощности”, в установке наблюдался целый ряд необычных эффектов: уменьшение веса платформы (которое достигло 35% от первоначального веса); вертикальные концентрические зоны повышенной напряженности магнитного поля порядка 0,05　Тл и аномальное падение температуры (на 6...8°C) в непосредственной близости от конвертора. Невозможность объяснить весь этот комплекс эффектов свидетельствует о серьезном отставании теории.

Интересный вариант устройства с переключаемым магнитным сопротивлением, получивший широкое признание как один из наиболее удачных двигателей на "свободной энергии”, предложил Роберт Адамс (Новая Зеландия, 1977). В мотор–генераторе Адамса (рис. 4) ротор с радиально ориентированными одинаковым полюсом наружу постоянными магнитами вращается, создавая индукционные токи в катушках статора, расположенных вокруг ротора в плоскости вращения. С точки зрения традиционной электротехники, мотор-генератор без замкнутого магнитопровода (сердечники катушек имеют форму бруска) неэффективен. Но именно открытый магнитопровод позволяет генерировать мощность без торможения ротора.

Рис.4. Мотор Адамса.

Здесь нет явления электромагнитной индукции в полном смысле, есть только магнитная индукция, то есть намагничивание и размагничивание сердечника статора в поле постоянного магнита ротора. При этом наблюдается полная аналогия с явлением электрической индукции, то есть "электризацией влиянием”, как говорили раньше. "Намагничивание влиянием” отличается от электромагнитной индукции тем, что создаваемое в обмотке генератора вторичное магнитное поле не тормозит ротор и не взаимодействует с первичным полем. Роберт Адамс работает совместно с Г. Аспденом над патентованием своей системы. Характерно, что работа этой машины может быть полностью объяснена законом Фарадея.

Рис.5. Колесо Минато.

Еще более привлекательным для воспроизведения двигателем на вращающихся магнитах является колесо К. Минато (патент США №5594289, 1997). В нем на роторе (представляющем собой велосипедное колесо, вращающееся на горизонтальной оси) закреплено множество постоянных магнитов, расположенных одинаковыми полюсами в направлении вращения ротора, а также стабилизаторы, предназначенные для уравновешивания ротора (рис.5). Каждый из закрепленных на роторе постоянных магнитов расположен под углом относительно радиуса колеса. Возле внешней окружности ротора вплотную к нему расположен электромагнит, в котором, в зависимости от вращения ротора, периодически возбуждается электрический ток. Эрик Вогелс (Швеция, 1997 г.) повторил и улучшил результаты Минато, расщепив дорожку магнитов на множество маленьких дорожек [4].

Рис.6. Двигатель Ньюмана.

В американской телесети недавно рассказывалось о революционной технологии, разработанной Дж. Ньюманом (рис.6). Его электромагнитный мотор способен снабдить электроэнергией производственное помещение, дом или ферму. Он основан на представлении о том, что движение электрона в проводах катушки напоминает движение микрогироскопов, так как электроны вращаются. Это движение в случае применения катушек с большой индуктивностью порождает особые эффекты, которые проявляются в генерации "избыточной мощности”. Характерно, что более 30 физиков, инженеров – атомщиков, электротехников и специалистов по электричеству поставили свои подписи под письмом, в котором подтверждалась революционность этого изобретения.

Создавать электродвижущую силу при вращении　 металлического　 ротора　 способен также известный со времен Фарадея эффект униполярной индукции. Одна из практических разработок этого класса альтернаторов – униполярный генератор де Палма (1991). Результаты　 тестов этого генератора показывают, что в нем торможение ротора　 за счет обратной ЭДС проявляется в меньшей степени,　чем в　 традиционных　 генераторах.　 Поэтому　 мощность　 на　 выходе　　 системы превосходит мощность, необходимую для вращения ротора.　

Рис. 7. Генератор Сёрла.

Немало патентов на магнитные двигатели выдано и в России (В.　Алексеенко, №5037775, 1996; В. Рыков, №2000101256, 2001; А.　Рюмин, №2001123502, 2003; В.Левкин,№5032711, 1995; М.　Остриков и др.,. №95103846, 1996; А.　Старостин и др., №95112010, 1997; А.　Калинин, . №94019782, 1996; П.　Имриш, №94026259, 1996 ; В.　Дудышев №2128872, 1998; Ю.　Пилипков, №2000119415, 2002, и др.

Следует отметить, что создание альтернаторов перешло уже в стадию практических разработок. Так, совсем недавно швейцарская фирма SEG объявила о намерении выпустить на рынок генератор, работающий на эффекте Сёрла. Устройством, выпуск которого запланирован в первую очередь, станет компактный 15–ти киловаттный генератор с размерами примерно 46×61×12 см), который можно настроить для выработки постоянного или переменного тока различного напряжения в диапазоне от 12 до 240 В (рис. 7). Каждый такой генератор способен выработать 60 МВт/ч энергии, прежде чем встанет необходимость в его перемагничивании. Предлагаемая модель генератора "D15AP” состоит из трех четырехслойных концентрических колец, каждое из которых изготовлено из композита. Эти кольца расположены по отношению друг к другу концентрически и прикреплены к основанию. Вокруг каждого кольца свободно вращаются ролики в количестве 10 штук вокруг первого кольца, 25 – вокруг второго и 35 – вокруг третьего. За роликами, расположенными по диаметру внешнего кольца, находятся катушки, соединенные различными способами, что дает возможность вырабатывать либо постоянный, либо переменный ток различного напряжения. Выходные катушки должны быть рассчитаны таким образом, чтобы напряжение тока на выходе составляло 240 В при 15 кВт мощности. Генератор представляет собой своего рода набор свободных от трения подшипников и одновременно систему из трех вращающихся трансформаторов в одном корпусе, на выходе которого получается ток очень высокого напряжения.

Рис. 8. Генератор "LUTEC"

Одним из недавних добавлений к этому классу устройств явился генератор "LUTEC” австралийцев Бритс и Кристи (международный патент №00/28656, 2000г). Простота этого двигателя обеспечивается расположением переключаемых катушек на статоре, а постоянного магнита – на роторе (рис.8). При этом постоянный ток, подводимый к катушкам статора, вызывает силу магнитного отталкивания и является единственным током, необходимым для создания "совокупного движения”.

В настоящее время ряд частных предприятий принимают заказы на промышленные образцы двигателей – генераторов на постоянных магнитах. В частности, Фирма GMC Holding Corporation, город Орландо, штат Флорида, США, объявила о том, что после 12 лет исследований ею создано устройство на постоянных магнитах, способное дать решение мировых экономических проблем в области энергетики. Другая компания, "Perendev” (сокращение от "perpetuum energy device") заявляет, что изготавливаемый ею магнитный мотор мощностью 30 кВт готов к выводу на рынок). Примерная стоимость первых устройств – около 8500 Евро (рис. 9). Правда, К. Андерсон (Kieth Anderson), чья фирма была приглашена на тестирование мотора "Perendev” и построила два его работающих аналога, заявляет, что все они истощали свои магниты в нагрузке. Следовательно, необходимы дальнейшие исследования по выявлению условий баланса отдаваемой магнитами внутренней энергии и их подпитки из окружающей среды. Основная проблема конструкций с постоянными магнитами состоит в расчете распределения магнитного потока в магнитной цепи, которая может включать постоянные магниты, воздушные зазоры, элементы высокой магнитной проницаемости и электрические токи. Точные решения магнитных полей требуют сложного анализа многих факторов, хотя возможны и приблизительные решения, основанные на определенных упрощающих предположениях. Для получения оптимальной конструкции с постоянными магнитами часто требуется опыт и компромиссы. А пока же компания "Perendev” принимает заказы от тех, в ком жив авантюрный дух, и кто понимает риски и ограничения этой ранней стадии.

Рис.9. Магнитный двигатель " Perendev"

Еще одна разновидность магнитного двигателя, названная "Cycclone”¹⁾ (рис.10), была создана недавно на средства американской компании в Австралии. Демонстрационная запись действующего опытного образца этого двигателя, предназначавшегося для размещения в автомобиле, показывалась по телевидению. Таким образом, мы вправе ожидать появления на рынке малогабаритных энергетических установок, способных обеспечить электроэнергией офисы, дома и фермы, удаленные от линий электропередач.

Рис.10.Двигатель " Cycclone"

Совершенно очевидно, что при оценке перспективности таких устройств недопустимо считать, что магнитная энергия является "дармовой” – ее себестоимость требует столь же полного учета затрат, как и для любых других энергоустановок на возобновляемых источниках энергии. В альтернаторах эти затраты зависят от класса магнитов. Новейшим добавлением к ранее известным ферритовым (керамическим) и алюминий–никель–кобальтовым (типа "Алнико”) магнитным материалам являются спеченные из редкоземельных элементов – самарий–кобальтовые (SmCo) и неодимовые (NdFeB) магниты. В них достигается уровень магнитной энергии до 45–50 MGOe (в мега гаусс эрстедах). Этому способствовали недавние разработки в области изготовления магнитов. Именно они открыли новые захватывающие горизонты усовершенствования технологий двигателей на постоянных магнитах. Кроме затрат на их изготовление следует учитывать и затраты на разработку работоспособных конструкций и на теоретические исследования, призванные устранить серьезное отставание теории от эксперимента.

В заключение хочется сказать, что хотя в работе альтернаторов многое остается неясным, в настоящее время имеются достаточные основания для поиска наиболее удачных технических решений по созданию преобразователей нового поколения, использующих практически неисчерпаемую энергию окружающей нас среды. Дело лишь за нахождением наиболее удачных инженерных решений, делающих такие преобразователи конкурентоспособными.

_______________________________________________________

Литература.

1. Эткин В.А. Энергодинамика (синтез теорий переноса и преобразования энергии).- СПб., "Наука”,2008.- 409 с.

2. Эткин В.А. К явлению запаздывания потенциала.(http://zhurnal.lib.ru/e/etkin_w_a). 20.03.2008.

3. Рощин В., Годин С. Экспериментальные исследования физических эффектов в динамической магнитной системе. // Письма в ЖТФ, 2000.-Вып.24.- С.26-30.
4. Эрик Вогелс. Совершенный источник энергии. // Новая Энергетика, 2003.-№2.